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EnergieverbrauchDas Nichts dämmt am besten

Wie werden Gebäude in Zukunft isoliert? Wie werden Heizungen betrieben? Mit einem Blick ins Labor zeigt sich, was vor der Markteinführung steht und was dereinst Standard sein könnte.

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Die Mehrzahl der Gebäude in der Schweiz sind Energieschleudern: Sie sind verantwortlich für einen grossen Teil des jährlichen CO2-Ausstosses. Durch neue Baustandards wie Minergie-P ist es möglich, bei Neubauten den durchschnittlichen Heizwärmebedarf gegenüber Altbauten um ein Vielfaches zu senken.

1. WÄRMEDÄMMUNG
Das erfordert gut dämmende Fenster und Aussenwände. Dämmstärken von 25 Zentimetern sind heute keine Seltenheit mehr. Diese Materialstärke hat Einfluss auf die Architektur, zudem sind Altbausanierungen mit solchen Dämmstärken nicht immer realisierbar. Der Ruf nach leistungsfähigeren – und damit dünneren – Dämmmaterialien wird deshalb sowohl von Architekten und Baufachleuten als auch von Bauherren zunehmend lauter.

Für den Chemiker Matthias Koebel, der an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) neue Baumaterialien erforscht und entwickelt, sind die geforderten Hochleistungsdämmsysteme bereits Realität. In seinem Labor tüftelt er an dem, was in Zukunft bei der Wärmeisolation Standard sein könnte.

Im Fokus von Koebels Arbeit stehen zurzeit die Aerogele. Es handelt sich hierbei um hochporöse Festkörper, deren Volumen zu über 90 Prozent aus luftgefüllten Poren besteht. Da diese Poren lediglich einige Nanometer (Milliardstelmeter) lang sind, überträgt die eingeschlossene Luft Wärme nur schlecht – sie kann in den Poren kaum zirkulieren. Das macht Aerogele zu hervorragenden Isolatoren. Die luftigen Stoffe sind wahre Rekordbrecher: «Sie haben 15 Einträge im Guinness-Buch der Rekorde für Materialeigenschaften, unter anderem als bester Isolator und als leichtester Feststoff», erklärt Koebel. So wiegt ein Liter dieses Materials gerade einmal 70 bis 100 Gramm – und ist somit zehnmal leichter als Wasser.

Auch Schall und Elektrizität werden von Aerogelen kaum weitergeleitet. Das macht den Stoff zum universell einsetzbaren Isolator. Zudem sind Aerogele teilweise lichtdurchlässig. Die am meisten verwendeten Silikat-Aerogele erscheinen vor dunklem Hintergrund milchig blau. Sie lassen sich einfärben, behalten aber ihre Lichtdurchlässigkeit. Damit können Architekten die Stoffe als transparente Wärmedämmung einsetzen – und erhalten eine breite Palette an neuen Gestaltungsmöglichkeiten.

Aerogele können aus verschiedenen Substanzen hergestellt sein, am häufigsten sind solche auf Silikatbasis. Im Prinzip kann jeder Kunststoff, jedes Metalloxid und sogar Kohlenstoff in ein Aerogel verwandelt werden. Der erste Schritt des Herstellungsprozesses ist einfach: Man stellt ein Gel her, zum Beispiel aus Silikaten wie etwa Wasserglas (flüssiges Glas) und einem Lösungsmittel wie zum Beispiel Wasser oder Alkohol.

Durch eine chemische Reaktion oder unter speziellen Druck- und Temperaturverhältnissen bildet das Ausgangsmaterial eine hochporöse, feinporige Struktur, das Gel. Dann muss die im feinen Netzwerk enthaltene Flüssigkeit durch Luft ersetzt werden – und zwar ohne dass die Struktur in sich zusammenfällt. Der Chemiker spricht hier von «überkritischer Trocknung». Auf diese Weise wird übrigens auch entkoffeinierter Kaffee hergestellt.

Silikat-Aerogele dämmen zwei- bis dreimal besser als Dämmstoffe aus Styropor (EPS). Das heisst, dass eine lediglich zehn Zentimeter dicke Schicht aus Aerogel das gleiche Resultat erzielt wie eine 25 Zentimeter dicke EPS-Dämmschicht. Das führt zu grosser Platzersparnis, was der Wohnfläche zugutekommt. Allerdings sind Silikat-Aerogele heute noch fast zehnmal teurer als herkömmliche Materialien. Laut Koebel liegt das an der aufwendigen Produktion.

Zudem gelte es, die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Aerogele sind zwar relativ druckstabil, jedoch empfindlich auf Abrieb. Der entstehende Staub ist nicht gesundheitsschädlicher als der von anderen üblicherweise auf dem Bau eingesetzten mineralischen Stoffen. Der Materialverlust vermindert aber die Wärmedämmfähigkeit, unter anderem durch entstehende Risse. «Wir versuchen nun, Aerogele stärker zu vernetzen, um sie stabiler zu machen», sagt Koebel.

Momentan gibt es weltweit etwa fünf Hersteller von Aerogel-Dämmstoffmatten. Wegen ihres vergleichsweise hohen Preises werden Aerogele zurzeit nur in speziellen Bauprojekten eingesetzt, zum Beispiel zur Innenisolation an Gebäuden, deren Fassade unter Denkmalschutz steht. Koebel rechnet damit, dass es noch fünf bis zehn Jahre dauern wird, bis Aerogele für normale Anwendungen bezahlbar sind.

Vakuumbasierte Dämmsysteme sind eine weitere Art der Hochleistungswärmedämmung, an der die Empa forscht. Während man in herkömmlichen Dämmstoffen Luft als Isolator einschliesst und mit möglichst kleinen Porengrössen deren eigene Wärmeübertragung einschränkt, hat es im Vakuum fast keine Luftmoleküle. Vakuumisolationspaneele (VIP) sind damit die effizientesten kommerziell erhältlichen Dämmsysteme. Die meist etwa einen Quadratmeter grossen Platten dämmen rund sechsmal besser als herkömmliche Dämmstoffe – ein vier Zentimeter dickes VIP entspricht also etwa einer 25 Zentimeter starken Dämmschicht aus EPS.

Diese Energieeffizienz hat allerdings ihren Preis: Eine Wärmedämmung mit VIP ist mehr als fünfmal so teuer wie eine aus herkömmlichen Materialien. Aus diesem Grund werden auch VIP noch hauptsächlich für Spezialanwendungen gebraucht, so etwa beim Dämmen von Dachterrassen, Aussentüren, Fensterleibungen oder zur Innenisolation von Böden und Wänden. Zudem können VIP bei unsachgemässem Umgang leicht beschädigt werden, womit sie ihre Dämmfähigkeit zu einem grossen Teil verlieren. In VIP-gedämmte Wände und Böden dürfen also keine Löcher gebohrt oder Nägel eingeschlagen werden. Immerhin haben VIP laut Koebel bei sachgerechtem Umgang eine ausreichend lange Lebensdauer von mindestens 25 Jahren.

Die gleiche Strategie wie bei den VIP verfolgen Koebel und seine Kollegen bei der Vakuumverglasung (siehe Artikel zum Thema «Fenster: Die sind ja nicht ganz dicht»). Auch hier ist die Grundidee bestechend einfach: Man entfernt die Luft zwischen den Fensterscheiben und verhindert so die Wärmeleitung. Die Wärmestrahlung wird – wie bei herkömmlichen Fenstergläsern – mittels einer Beschichtung reduziert. Einfach ist das in der Praxis aber nicht. Wegen des Vakuums im Zwischenraum belastet der Luftdruck die Scheiben mit zehn Tonnen pro Quadratmeter. Diese Belastung müssen Stützen zwischen den Scheiben abfangen. Die Stützen sollen nicht sichtbar sein und möglichst wenig Wärme übertragen. Diese Probleme sind jedoch weitgehend gelöst.

Das Forschungsteam an der Empa beschäftigt sich nun mit dem zweiten Problem der Vakuumverglasung: dem Randverbund. Das sind die Dichtungen am Scheibenrand, die das Vakuum aufrechterhalten. Auch hier hat man an der Empa Fortschritte erzielt: So gelingt es im Labor, den Scheibenzwischenraum durch Einspritzen einer flüssigen Zinnlegierung abzudichten. Die Forscher haben diese Technik bereits zum Patent angemeldet.

Koebel glaubt, dass solche Vakuumfenster in spätestens zehn Jahren Standard sein werden. Die Vakuumverglasungen dürften dann bis zu doppelt so gute Dämmwerte wie die heutigen Fenster mit Dreifachverglasung aufweisen – und dabei trotzdem leichter, dünner und lichtdurchlässiger sein.

2. DIE HEIZUNG
Der zweite entscheidende Punkt für ein energieeffizientes Haus ist neben der guten Wärmedämmung die Heizung. Hier beschreitet die internationale Forschung zwei Wege: Die einen versuchen, neue Heizsysteme und -technologien zu entwickeln, die anderen verbessern bestehende Heizsysteme und machen sie effizienter. Momentan setzt man an der Empa vor allem auf den zweiten Weg. «Es geht darum, die Wärmepumpe an einen Lieferanten von Alternativenergie zu koppeln, um so eine gute Ökobilanz zu erhalten», erklärt Viktor Dorer, Gruppenleiter in der Abteilung Bautechnologien. Er ist überzeugt: Der Knackpunkt bei der Heizung ist es, ausreichend Alternativenergie zu gewinnen.

Die Heizsysteme selbst genügen den Anforderungen und werden durch technische Fortschritte wohl noch effizienter. Moderne Wärmepumpen etwa schaffen es mittlerweile, aus einer Kilowattstunde Strom vier Kilowattstunden Wärmeenergie zu erzeugen. «In naher Zukunft werden vermutlich intelligente Kombinationen für umweltverträgliche Heizwärme sorgen, zum Beispiel die Wärmepumpe plus Fotovoltaik», so Dorer. Je nach vorhandenen Ressourcen werden zudem mit Holz oder Biogas betriebene Blockheizkraftwerke umweltfreundlich Strom und Wärme liefern (siehe «Starke Leistung»). «Wir werden unsere Heizungen vermehrt mit dem betreiben müssen, was als lokale Ressource vorhanden ist – also mit Sonne, Wind und Biomasse», prophezeit Dorer.

Matthias Sulzer ist Geschäftsleiter der Gebäudetechnikfirma Lauber IWISA AG und hat schon einige zukunftsträchtige Energiesparhaus-Projekte verwirklicht. Seine Firma plante und baute die Heiz- und Energiesysteme der neuen Monte-Rosa-Hütte (siehe Artikel zum Thema« Monte-Rosa-Hütte: In der Höhe auf der Höhe») und des Touristenzentrums Matterhorn Glacier Paradise. Bei beiden Gebäuden sind die Hülle sowie Struktur und Technik so aufeinander abgestimmt, dass ein wirkungsvolles System aus Energieeffizienz und Kraftwerk entsteht.

Im Fall des Matterhorn Glacier Paradise besteht die gesamte Südfassade des Gebäudes aus Fotovoltaikpaneelen. Diese erzeugen die gesamte elektrische Energie für Wärme und Lüftung. Ein allfälliger Überschuss wird ins Stromnetz eingespeist und bei Bedarf wieder bezogen. Gleichzeitig funktioniert die Fassade wie ein thermischer Luftkollektor: Die kalte Aussenluft erwärmt sich hinter den dunklen Fotovoltaikzellen, so ist die Zuluft für Restaurant und Zimmer bereits vorgewärmt – was den Heizenergiebedarf reduziert. Zudem wird den Solarzellen auf diese Weise Wärme entzogen, was deren Wirkungsgrad erhöht.

Das Touristikzentrum steht auf 3883 Metern über Meer auf dem Klein Matterhorn. Dank der intensiven Sonneneinstrahlung in der hochalpinen Lage ist die Fotovoltaikanlage besonders ertragreich. Ist das Konzept auch auf das Unterland übertragbar? Sulzer zweifelt nicht daran. Im Unterland ist der Stromertrag zwar kleiner, dafür sind die Aussentemperaturen im Winter nicht so tief und der Wind schwächer – es muss also weniger geheizt und gedämmt werden. «Ausserdem werden Fotovoltaikanlagen in Zukunft noch effizienter: Im Labor erreichen sie schon einen Wirkungsgrad von über 40 Prozent.»

Ein weiteres Konzept, um den Energiebedarf der Heizung zu senken, hat die ETH in Zusammenarbeit mit Matthias Sulzer auf dem Campus Science City realisiert: Dort leitet im Sommer ein Wasserkreislauf mit 800 Sonden die überschüssige Wärme in den Erdboden. Die Wärmeenergie bleibt so in 200 Metern Tiefe gespeichert. Im Winter wird diese Wärme über den Wasserkreislauf zurückgeholt und mit Wärmepumpen auf eine Heiztemperatur von 30 bis 35 Grad Celsius gebracht. Dank dem vorgewärmten Wasser aus der Tiefe lässt sich die Effizienz der Wärmepumpe enorm steigern. Das Ziel der ETH: Nur noch ein Zwölftel der Gesamtenergie für Heizung und Kühlung soll künftig elektrisch sein. «Die Kombination einer Wärmepumpe mit Fotovoltaik und einem Wärmespeicher ist momentan die zukunftsträchtigste Heizmethode», ist Sulzer überzeugt.

Blockheizkraftwerke (BHKW) produzieren gleichzeitig Strom und Wärme. Bei der ein­gesetzten Technik und bei den Energieträgern existiert eine grosse Bandbreite an Möglichkeiten. Klassisch ist ein BHKW mit Verbrennungs­motor, der mittels Diesel oder Gas betrieben wird. Erneuerbare Energie in Form von Biogas und Holz kommt ebenfalls zum Einsatz und macht Blockheizkraftwerke besonders umweltfreundlich. Allen Varianten ist gemeinsam, dass sie einen hohen Wirkungsgrad von über 90 Prozent aufweisen. Der Grund: Mit der Wärme und der Kraft nutzen sie beide beim Prozess ent­stehenden Energieformen und weisen zudem einen geringen Energieübertragungsverlust auf, denn die Kraftwerke stehen ja am Ort
des Verbrauchs.

Meist richtet sich die Leistung eines BHKW nach der erforderlichen Heizwärme. Das hat zur Folge, dass je nach Jahreszeit zu viel oder zu wenig Strom für das Gebäude produziert wird. Überschüssiger Strom wird ins Stromnetz eingespeist. Einspeisen von überschüssigem Strom lohnt sich zurzeit nur, wenn das BHKW mit einem erneuerbaren Brennstoff betrieben wird. Dann kann der Strom als Ökostrom verkauft werden. Ansonsten gilt es, ein BHKW so auszulegen, dass die gesamte produzierte Elektrizität intern genutzt wird und somit die Strombezugsrechnung gegenüber dem Elektrizitätswerk reduziert werden kann.

Veröffentlicht am 2010 M09 08